Курсовая работа: Производство азотной кислоты

1.8 Охрана труда и промышленная экология

Для обеспечения безопасного режима работы в производстве неконцентрированной азотной кислоты по комбинированной схеме необходимо строгое выполнение технологического регламента, инструкций по охране труда по рабочим местам, инструкции по охране труда и промышленной безопасности отделения, инструкций по отдельным видам работ.

Обслуживающий персонал допускается к работе в положенной по нормам спецодежде и спецобуви, обязан иметь при себе исправные средства индивидуальной защиты. Средства защиты (индивидуальный противогаз) обязательно проверяется ежесменно перед началом работы.

Лица, обслуживающие механизмы, должны знать правила Госгортехнадзора, относящиеся к обслуживаемому оборудованию. Лица, обслуживающие котлонадзорное оборудование, - правила котлонадзора.

Не допускать нарушения нормального технологического режима на всех стадиях процесса.

Работы вести только на исправном оборудовании, оснащенном всеми необходимыми и исправно действующими предохранительными устройствами, контрольно-измерительными и регулирующими приборами, сигнализациями и блокировками.

При сдаче в ремонт оборудования и коммуникаций, в которых возможно скопление аммиака, производить продувку оборудования и коммуникаций азотом до отсутствия в продувочном азоте горючих.

Перед заполнением аппаратов и коммуникаций аммиаком после их ремонта производить продувку азотом до содержания кислорода в продувочном азоте не более 3,0% об.

Не допускать ремонт коммуникаций, арматуры, оборудования, находящихся под давлением. Ремонт должен производиться после сброса давления и отключения ремонтируемого участка заглушками. Оборудование, коммуникации, подлежащие ремонту, должны быть продуты или промыты.

Во избежание гидравлических ударов подачу пара в холодные паропроводы производить медленно, обеспечив достаточный их подогрев со сбросом конденсата по всей длине трубопровода. Выход сухого пара из дренажа свидетельствует о достаточном прогреве трубопровода.

Не допускать включение эл.оборудования при неисправном заземлении.

Не допускать ремонт оборудования с электроприводом, без снятия напряжения с электродвигателей.

Ремонт и наладку КИПиА и электрооборудования производить только силами служб КИП и электриков.

Пользоваться открытым огнем в производственных и складских помещениях запрещается:

- огневые работы производятся только при наличии наряда-допуска, подписанного начальником цеха и утвержденного начальником управления группой цехов по ПМУ после согласования с инженером по охране труда управления ГЦ по ПМУ;

- курение разрешается в отведенных для этих целей местах.

Все вращающиеся части оборудования (полумуфты), крыльчатки вращающихся вентиляторов, на валах электродвигателей должны иметь надежное крепление и ограждены, и окрашены в красный цвет.

Фланцевые соединения кислотных линий должны быть защищены защитными кожухами.

Подтягивание болтов фланцевых соединений трубопроводов, а также производство работ на оборудовании, находящемся под давлением, не допускается.

Аппараты, работающие под давлением, должны удовлетворять требованиям, изложенным в технических условиях и правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов и коммуникаций, работающих под давлением.

Работы в закрытых сосудах производить при наличии наряда-допуска на проведение газоопасных работ.

Вентиляция должна быть в исправном состоянии и находиться постоянно в работе.

Обслуживание грузоподъемных механизмов, сосудов, работающих под давлением, производится только лицами, специально обученными и имеющими специальное удостоверение.

Подходы к аварийным шкафам, пожарным извещателям, телефонам, пожарному инвентарю не допускается загромождать посторонними предметами, содержать их необходимо в чистоте и в исправном состоянии.

Открытые проемы в перекрытиях, площадках, переходные мостики должны иметь ограждения высотой 1 м. В нижней части ограждения должен располагаться бортик или защитная полоса высотой 15 см.

Все контрольно-измерительные приборы и системы автоматики и блокировки должны находится в исправном состоянии.

Для предотвращения отложения нитрит-нитратных солей на внутренних поверхностях аппаратов и трубопроводов, лопастях роторов, стенах компрессоров нитрозного газа и других деталях и аппаратах не допускать длительного розжига контактных аппаратов (более 20 минут), снижения температуры катализаторных сеток, разрыва их, приводящих к проскокам аммиака, прекращения орошения поверхностей, что приводит к отложению нитрит-нитратных солей.

Своевременно производить обтирку, очистку оборудования от проливов технологических продуктов, доливку масла в картеры насосов.

Рабочие места для проведения ремонтных и других работ и проходы к ним на высоте 1,3 м и более должны быть ограждены.

При невозможности или нецелесообразности устройства ограждений работы на высоте 1,3 м и выше, а также при работе с приставной лестницы на высоте более 1,3 м необходимо применять предохранительные пояса, при этом у места производства работ должны находиться вспомогательные рабочие, готовые оказать помощь работающему на высоте. Место закрепления карабина определяет руководитель работ.

Предохранительные пояса проходят испытания перед выдачей в эксплуатацию, а также в процессе эксплуатации через каждые 6 месяцев. На предохранительном поясе должна быть бирка с указанием регистрационного номера и даты следующего испытания.

При работе с азотной кислотой (отбор проб, осмотр коммуникаций, пуск насосов продукционной кислоты и т.п.) необходимо применять индивидуальные средства защиты органов дыхания и зрения (фильтрующий противогаз с коробкой марки "М", защитные очки с резиновой полумаской или защитный щиток из оргстекла, или шлем от противогаза), резиновые кислотозащитные перчатки, специальную кислотозащитную одежду.

При выявлении каких-либо неисправностей в работе оборудования, дефектов опор, стенок и т.п. своевременно ставить в известность начальника отделения, механика цеха. При необходимости остановить оборудование и подготовить его к сдаче в ремонт.

При каждой остановке агрегата в ремонт производить вскрытие нижнего люка окислителя (поз.9) и при наличии солей аммония на распределительной решетке, по стенкам и днищу производить пропарку его острым паром, конденсат сдренировать.

Работы с паром, паровым конденсатом производить в спецодежде, спецобуви, рукавицах.

Для предупреждения проф.отравлений и проф.заболеваний в отделении должны соблюдаться следующие санитарно-гигиенические требования:

а) температура воздуха должна быть:

17-230С- переходной и зимний период;

18-270С- летний период;

б) относительная влажность воздуха:

летом- не более 75 %;

зимой - не более 65 %;

в) шум- не более 65 дБА в шумоизоляционных кабинах, ЦПУ, в остальных местах не более 80 дБА;

г) вибрация – не более 75 дБ в шумоизоляционных кабинах, ЦПУ, в машинном и контактном отделениях не более 92 дБ;

д) освещенность рабочих мест:

- ЦПУ, шумоизоляционные кабины - не менее 200 лк;

- на площадках абсорбционных колонн - не менее 50 лк;

- в машинном и контактном отделениях - не менее 75 лк;

е) предельно допустимая концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны помещений:

- аммиак- не более 20 мг/м3;

- оксидов азота - не более 5 мг/м3.

Кроме индивидуальных противогазов в отделении находится аварийный запас фильтрующих и изолирующих противогазов.

Аварийные противогазы хранятся в аварийных шкафах.

2. Расчетная часть

Исходные данные для материального расчета:

Производительность цеха – 190000 т \ год по моногидрату

Производительность агрегата – 45000 т \год

Концентрация продукционной азотной кислоты (ОСТ 113-03-270-90):

Азотная кислота – 50%

Вода – 50%

Аммиак (ГОСТ 6221-90):

Содержание аммиака, % об. – не менее 99,6 %

Вода – 0,4 %

Степень окисления аммиака – 0,97 %

Степень абсорбции – 0,99 %

Степень использования оборудования – 0,965

Состав аммиачно-воздушной смеси (материальный баланс действующего производства), % (об.):

Аммиак – 11,1

Кислород – 17,9

Азот – 67,8

Вода – 3,2

2.1 Предварительный расчет

2.1.1 Рассчитываем часовую производительность

Пч = П \ 24 * 0,965 * 365 (1.1)

Где П – производительность цеха, т\год;

24 – часов в сутки;

0,965 – коэффициент использования оборудования;

365 – дней в году.

Пч = 190000 \ 24 * 0,965 * 365 = 22,475 т\час = 22475 кг\час

При средней производительности одного агрегата 45000 т\год моногидрата азотной кислоты, количество установок в проектируемом цехе составит:

N = Пч \ Пагр (1.2)

Где Пч – часовая производительность цеха, т\час;

Пагр – средняя произволительность одного агрегата, т\час;

N = 22,475 \ 5,130 = 4,38

Принимаем количество 5 агрегатов.

Для обеспечения заданной производительности нужно взять 5 установок, тогда по моногидрату на 1 установку составит:

П = Пч \ N (1.3)

П = 22,47 \ 5 = 4,5 т\час или 4500 \ 63 = 71,42 кмоль

Где 63 – молекулярная масса азотной кислоты.

2.2 Расчет материального баланса на 1 агрегат в час

Определяем теоретическое количество аммиака, необходимого для получения 4,5 т\час моногидрата азотной кислоты по реакции:

NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O (1)

Так как на получение 1 моль моногидрата азотной кислоты расходуется 1 моль аммиака, то для получения 71,42 кмоль моногидрата соответственно необходимо 71,42 кмоль аммиака.

Расход аммиака с учетом степени окисления и абсорбции окислов азота составит:

С1NH3 = П \ 0,97 * 0,99 (2.1)

Где П – нагрузка по моногидрату на 1 агрегат, кмоль\час;

0,97 – степень окисления аммиака (дольные единицы);

0,99 – степень абсорбции (дольные единицы);

С1NH3 = 5,130 \ 0,97 * 0,99 = 5,342 кг или 5342,08 \ 17 = 314,23 кмоль

Определяем расход сухого воздуха при содержании аммиака в АВС 10,3 % об.

314,23 кмоль аммиака соответствует 10,3 % об.

Х кмоль воздуха соответствует 89,7 % об.

Х1 = 2736,54 кмоль\час воздуха.

Количество водяных паров, вносимых потоком воздуха при среднем содержании 0,2 % об.

2736,54 кмоль воздуха – 98,2 % об.

Х кмоль воды – 0,2 % об.

Х2 = 5,57 кмоль\час водяных паров.

Количество кислорода, поступающего в систему вместе с потоком воздуха.

С1О2 = х1 * 0,21 (2.2)

Где х1 – расход сухого воздуха;

0,21 – содержание кислорода в воздухе.

С1О2 = 2736,54 * 0,21 = 574,67 кмоль \ час

Количество азота, поступающего в систему с потоком воздуха.

С1N2 = х1 * 0,79 (2.3)

Где 0,79 – содержание азота в воздухе.

С1N2 = 2736,54 * 0,79 = 2161,86 кмоль \ час

Таблица 7 – Приход АВС в контактный аппарат.

Компонент	Кмоль	% об.	Кг	% вес.
Аммиак	314,23	10,27	5342,08	6,33
Кислород	574,67	18,80	18389,44	21,80
Азот	2161,86	70,73	60532,08	71,75
Вода	5,57	0,20	100,26	0,12
Итого:	3056,33	100	84363,86	100

Состав после окисления аммиака в соответствии с принятой степенью конверсии 97 % рассчитываем по следующим реакциям:

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O (2)

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O (3)

Определяем количество оксида азота, образовавшегося по реакции (2) в час:

С1NO = С1NH3 * K1 (2.4)

С1NO = 314.23 * 0.97 = 304.803 кмоль \ час

Определяем количество инертного азота, образующегося по реакции (3) в час:

С2N2 = С1NH3 - С1NO \ 2 (2.5)

Где С1NH3 - расход аммиака;

С1NO – количество оксида азота.

С2N2 = 314,23 – 304,803 \ 2 = 4,71 кмоль\ час

Всего инертного газа в газовой смеси после окисления аммиака

С1N2общ = С1N2 + C2N2 (2.6)

Где С1N2 – количество азота;

C2N2 - количество инертного азота.

С1N2общ = 2161,86 + 4,71 = 2166,57 кмоль\час

Образующаяся вода по реакциям, которая находится в паровом состоянии:

8 моль аммиака образуют 12 моль воды

314,23 кмоль аммиака образуют х кмоль воды

Х3 = 471,34 кмоль\час

Определяем количество водяных паров, образовавшихся после окисления аммиака:

С(Н2О)общ. = х1 + х3 (2.7)

С(Н2О)общ. = 5,57 + 471,34 = 476,91 кмоль\час

Количество расходуемого кислорода на окисление аммиака до оксидов азота по реакции (2) в час:

4 моль аммиака требуют 5 моль кислорода

314,23 кмоль аммиака требуют х кмоль кислорода.

Х4 = 392,78 кмоль \ час кислорода.

Количество расходуемого кислорода на окисление аммиака до оксида азота по реакции (3) принимаем 4 % от общего кислорода.

С(О2 – N2) = 0.75 * С1NH3 (1 – ŋК) (2.8)

С(О2 – N2) = 0,75 * 5342,08 * 0,025 = 3,13 кмоль \ час

Общий расход кислорода составит:

С(О2)общ = х4 + С(О2 – N2) (2,9)

С(О2)общ = 392,78 + 3,13 = 395,91 кмоль \ час

Определяем, сколько остается кислорода в газовой смеси после окисления аммиака:

СОСТ. = С1 О2 - С(О2)общ (2.10)

СОСТ. = 574,67 – 395,91 = 178,76 кмоль \ час

Таблица 8 – Расход из контактного аппарата

Компонент	Кмоль	% об.	Кг	% вес.
Аммиак	304,803	9,74	9144,09	10,87
Кислород	178,76	5,71	5720,32	6,80
Азот	2166,57	69,28	60663,96	72,12
Вода	476,91	15,25	8584,38	10,21
Итого:	3127,043	100	84112,75	100

2.3 Тепловой расчет

Определяем приход тепла по реакциям

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + 908 кДж (4)

4NH3 + 3О2 = 2NO3 + 6H2O + 1270кДж (5)

Q1 = QP * ПЧАС \ 4 * 10613, 3 (3.1)

Где QP – тепло в реакции,

ПЧАС – производительность часовая,

4 – коэффициент по реакции.

Q1 = 908 * 22,47 \ 4 * 10613,3 = 54135153 кДж = 5,4 * 107 кДж

Q2 = 1270 * 22,47 \ 2 * 219 = 3124790,6 кДж = 3,1 * 106 кДж

Определяем приход тепла с аммиачно-воздушной смесью, поступающей в контактный аппарат.

Q3 = m * c * tX (3.2)

Где: m – количество поступающей аммиачно-воздушной смеси, кмоль,

с – средние мольные теплоемкости компонентов смеси в пределах от 0 до 250 ˚С, они составляют:

38,5 Дж для аммиака,

30,2 Дж для кислорода,

29,2 Дж для азота.

tX – температура смеси, ˚С.

Q3 = (38,5 * 314,23 + 30,2 * 574,67 + 29,2 * 2161,86) tX = 9,2 * 104 tX кДж

Определяем расход тепла с уходящими от сеток нитрозными газами при температуре конверсии 900 ˚С.

Q4 = (31,9 * 304,803 + 32,6 * 178,76 + 29,2 * 2166,57) * 900 = 7,09 * 107 кДж

Потери тепла за счет изменения тепла, вызывающих понижение температуры катализаторных сеток, составляет:

Q5 = 0, 05 * Q4 (3.3)

Q5 = 0,05 * 7,09 * 107 = 3,54 * 106 кДж

Исходя из количества поступающего и расходуемого тепла можно определить температуру tX аммиачно-воздушной смеси, поступающей в конвертор.

Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 (3.4)

Где Q1 – приход тепла по реакции (4),

Q2 – приход тепла по реакции (5),

Q3 – приход тепла с аммиачно-воздушной смесью, поступающей в контактный аппарат,

Q4 – расход тепла с уходящими от сеток газами,

Q5 – потери тепла за счет изменения тепла, вызывающих понижение температуры катализаторных сеток.

Q = 5,4 * 107 + 3,1 * 106 + 9,2 * 104 + 7,09 * 107 + 3,54 * 106 = 13179,17 * 104 = 1,3 * 108 кДж

tX = Q + q \ mНГ * сНГ (3.5)

где: q – тепло с аммиачно-воздушной смесью,

mНГ – количество нитрозных газов,

сНГ – средняя теплоемкость нитрозных газов (1,223 кДж \ кг * град)

tX = 1,3 * 108 + 9,2 * 104 \ 84112,75 * 1,223 = 128,2 ˚С.

Котел-утилизатор

В данном случае тепло газа расходуется на получение пара, поэтому уравнение теплового баланса имеет вид:

Q = (W – W0) *св * (t2K – t2H) + W0 (J – св * t2H ) (3.6)

Где W – количество подаваемой на орошение воды, кг \ с;

Св – удельная теплоемкость воды, Дж \ кг ˚С;

t2K – конечная температура питательной воды, ˚С;

t2H – начальная температура питательной воды, ˚С;

W0 – количество испарившейся воды, кг \ с.

W0 = В * F0 (x “ – x) (3.7)

Где В – коэффициент испарения, кг \ м2 к;

F0 – площадь испарения, м2;

x “ – влагосодержание пара в месте соприкосновения его с водой;

х – влагосодержание пара в газообразном объеме, кг.

Площадь испарения определяем из уравнения:

F = 2 * 420 = 840 м2

W0 = 200 *840 (0,89 – 0,76) = 21840 кг \ ч = 6,06 кг \ с

Q = (6,9 – 6,06) 4190 (247 – 140) + 6,06 (694300 – 4190 * 140) = 276064,8 Вт

То есть для испарения 6,06 кг воды за 1 секунду требуется от нитрозного газа отнять количество теплоты в размере 276064,8 Вт.

2.4 Конструктивный расчет

2.4.1 Контактный аппарат

Время конверсии τ при температуре окисления аммиака 900 ˚С можно определить по уравнению

Lg = - 107 * k1 + 7.02 * 10-6 * k3 (4.1)

Где k1 = 0,97 – степень конверсии аммиака;

Lg = - 107 * 97 + 7,02 – 10-6 * 973 = 1,06 * 10-4 сек

Площадь сечения конвертора будет равна

S=100*τ*V0*TK*PH\1,1* m * d * PK * 273 (1 – 1.57 * den) (4.2)

Где: τ – время конверсии, сек;

V0 – объем аммиачно-воздушой смеси при 0 ˚С;

TK – температура конверсии, 900 + 273 = 1197 К;

PH – начальное давление, 9,8 * 104 н \ м3;

m – количество сеток;

d – диаметр проволоки сеток, 0,009 мм;

PK – давление газа при конверсии, 73 * 104 н\м;

n – число плетений на 1 см2, 1024 штук.

V0 = m * V \ 360 (4.3)

Где: m – масса аммиачно-воздушной смеси, кг;

V – объем при нормальных условиях.

V0 = 84112,75 * 22,4 / 360 = 5233,68 кг \ час

S = 100 * 1,06 * 10-4 * 5233,68 * 1173 * 980 \ 1,1 * 18 * 0,09 * 73 * 273 (1* * 1,57 * 0,009 * e1024) = 3,31 м 2

2.4.2 Котел-утилизатор

Сечение трубчатки

S1 = p \ 4 * dВ2 * n (4.4)

Где: dВ – внутренний диаметр трубок, м;

n – количество трубок, шт.

S1 = 3,14 \ 4 * 0,0512 * 480 = 0,98 м2

Сечение межтрубного пространства

S2 = 3,93 * S1 (4.5)

Где: 3,93 – отношение межтрубного сечения к сечению трубчатки.

S2 = 3,93 * 0,98 = 3,8 м2

Сечение, занято стенками трубок.

S3 = p \ 4 * (dH2 - dВ2) * n (4.6)

Где: dH – наружный диаметр трубок.

S3 = 3,14 \ 4 * (0,0572 – 0,0512) * 480 = 0,24 м2

Сечение кожуха трубчатки по внутреннему диаметру.

S4 = S1 + S2 + S3 (4.7)

Где: S1 – сечение трубчатки, м;

S2 – сечение межтрубного пространства, м;

S3 – сечение, занятое стенками трубок, м.

S4 = 0,98 + 3,8 + 0,24 = 5,02 м2

Определяем диаметр кожуха

D = e(4 * S4 \p) (4.8)

D = e(4 * 5.02 \ 3.14) = 2.5 м

Приведенный диаметр трубчатки определяем по уравнению

DПР = 4 * S1 \ П (4.9)

Где: П – смоченный периметр, м.

DПР = 4 * 0,98 \ 76,8 = 0,05

Смоченный периметр определяем по уравнению:

П = p * dВ * n (4.10)

П = 3,14 * 0,051 * 480 = 76,8

Определяем длину трубок

L = F \ p * dH * n * z (4.11)

Где: F – площадь теплообменника, м2;

Z – число ходов.

L = 840 \ 3.14 * 0.057 * 480 * 2 = 4,8 м = 4800 мм

Принимаем стандартную длину трубок 6000 мм.

Определяем диаметр штуцеров для подачи питательной воды.

Скорость воды принимаем равную 1 м \ сек.

dW1 = e(4 * G \ p * W2 * r) (4.12)

Где: G – расход воды, кг \ сек;

W – скорость движения питательной воды в штуцере, м \ сек;

r - плотность питательной воды.

dW1 = e(4 * 36,9 \ 3,14 * 12 * 1000) = 0,093 м или 93 мм

Принимаем стандартное значение равное 100 мм.

Определяем диаметр штуцера для отвода пара. Скорость пара в штуцерах принимаем равным 10 м \ сек.

dW2 = e(4 * G \ p * W2 * r) (4.13)

dW2 = e(4 * 6,9 \ 3,14 * 102 * 1000) = 359 мм

Принимаем стандартное значение, равное 450 мм.

Определяем диаметр штуцера для ввода нитрозных газов

dW3 = e(4 * G \ p * W2) (4.14)

dW3 = e(4 * 23.3 \ 82 * 1.4 * 3.14) = 589 мм

Диаметр штуцера для отвода нитрозных газов следует принять равным диаметру входного штуцера, то есть 600 мм, так как количество нитрозного газа, входящего в котел-утилизатор, равно количеству нитрозного газа, выходящего из него.

2.5 Расчет расходных коэффициентов

Определяем расчетный коэффициент по аммиаку на 1000 кг моногидрата азотной кислоты.

G(NH3) \ G(HNO3) (5.1)

Где: G(NH3) – количество аммиака, поступающего с аммиачно-воздушной смесью, кг \ час;

G(HNO3) – нагрузка по моногидрату на 1 агрегат, кг \ час.

5342,08 \ 4,5 = 1187,12 кг \ час HNO3

Определяем расходный коэффициент по кислороду на 1000 кг моногидрата азотной кислоты.

G(O2)\G(HNO3) (5.2)

Где: G(O2) – количество кислорода, поступающего с аммиачно-воздушной смесью, кг \ час.

18389,44 \ 4,5 = 4086,54 кг \ час HNO3

Определяем расходный коэффициент по азоту на 1000 кг моногидрата азотной кислоты.

G(N2)\G(HNO3) (5.3)

Где: G(N2) – количество азота, поступающего с аммиачно-воздушной смесью, кг \ час.

60532,08\ 4,5 = 13451,57 кг \ час.

Заключение

В данном курсовом проекте было рассмотрено производство слабой азотной кислоты комбинированным методом с детальной разработкой котла-утилизатора.

Параметры рассчитанного котла-утилизатора:

Диаметр – 2500 мм

Высота – 5750 мм

Поверхность теплообмена – 840 м2

Длина трубок – 6000 мм

Диаметр штуцера для отвода пара – 450 мм

Диаметр штуцера для подачи питательной воды – 100 мм

Диаметр штуцера для ввода нитрозных газов – 600 мм

Список использованных источников

1) Дыбина П.В., Вишняк Ю.Л., Соловьева А.С. «Расчеты по технологии неорганических веществ» - М. Химия, 1987 г.

2) Мельников Е.Я. «Справочник азотчика» - М.: Химия, 1987 г.

3) Мельников Е.Я., Салтынова В.П., Наумова А.М., Блинова Ж.С. «Технология неорганических веществ и минеральных удобрений» - М.: Химия, 1983 г.

4) Шкатов Е.Ф., Шувалов В.В. «Основы автоматизации технологических процессов химических производств» - М.: Химия, 1988 г.